Lực hấp dẫn: chúng ta hiếm khi nghĩ về nó, ít nhất cho đến lúc ta trượt té trên băng tuyết hoặc vấp ngã trên cầu thang. Đối với nhiều nhà tư tưởng thời xưa, lực hấp dẫn thậm chí chẳng phải là lực – nó chỉ là xu hướng tự nhiên của các vật chìm xuống phía tâm Trái đất, còn các tinh tú trên bầu trời thì tuân thủ các định luật khác, không có liên quan.
Tất nhiên, ngày nay chúng ta biết rằng lực hấp dẫn có nhiều tác dụng hơn là làm cho vạn vật rơi xuống đất. Nó chi phối chuyển động của các hành tinh xung quanh Mặt trời, giữ các thiên hà lại với nhau và xác định cấu trúc của bản thân vũ trụ. Chúng ta còn nhận ra lực hấp dẫn là một trong bốn lực cơ bản của vũ trụ, cùng với lực điện từ, lực hạt nhân yếu và lực hạt nhân mạnh.
Lí thuyết hiện đại của lực hấp dẫn – thuyết tương đối rộng Einstein – là một trong những lí thuyết thành công nhất mà chúng ta có. Song song đó, ta vẫn chưa biết hết mọi thứ về lực hấp dẫn, trong đó có cách thức hợp nhất nó với các lực cơ bản kia. Sau đây là sáu thực tế “nặng kí” mà chúng ta thật sự hiểu rõ về lực hấp dẫn.
1. Lực hấp dẫn là lực yếu nhất mà chúng ta biết
Lực hấp dẫn luôn luôn là lực hút. Và trong khi lực hấp dẫn đủ mạnh để giữ các thiên hà lại với nhau, thì nó lại quá yếu nên bạn dễ dàng vượt qua nó mỗi ngày. Bạn cầm một quyển sách trong tay là bạn đang chế ngự lực hấp dẫn của Trái đất tác dụng lên nó.
Để so sánh, lực hút điện giữa một electron và một proton bên trong nguyên tử mạnh hơn khoảng một nghìn tỉ tỉ tỉ (một số 1 và 30 chữ số 0 sau nó) lần so với lực hút hấp dẫn giữa chúng. Thật vậy, lực hấp dẫn quá yếu, chúng ta chẳng biết chính xác nó yếu đến mức nào.
2. Lực hấp dẫn và trọng lượng không phải là một
Các nhà du hành trên trạm vũ trụ trôi nổi, và thỉnh thoảng chúng ta nói lười rằng họ ở trong tình trạng không trọng lực. Nhưng điều đó không đúng. Lực hấp dẫn tác dụng lên mỗi nhà du hành bằng khoảng 90% lực mà họ chịu trên mặt đất. Tuy nhiên, các nhà du hành đó là không trọng lượng, vì trọng lượng là lực mà mặt đất (hoặc ghế, hoặc giường, hoặc bất cứ cái gì khác) tác dụng ngược lại họ lúc ở trên mặt đất.
Lấy một cái cân lò xo đặt trên thang máy và đứng lên nó khi thang máy đang đi lên và đi xuống, tạm bỏ qua những cái nhìn nghi hoặc của mọi người về phía bạn. Trọng lượng của bạn thăng giáng, và bạn cảm nhận được thang máy đang tăng tốc và giảm tốc, nhưng lực hấp dẫn thì vẫn không đổi. Mặt khác, trên quỹ đạo, các nhà du hành chuyển động cùng với trạm vũ trụ. Không có cái gì đẩy họ trên sàn phi thuyền để tạo ra trọng lượng. Einstein đã biến ý tưởng này, cùng với thuyết tương đối hẹp của ông, thành thuyết tương đối rộng.
3. Lực hấp dẫn tạo ra sóng hấp dẫn truyền đi ở tốc độ ánh sáng
Thuyết tương đối rộng dự đoán sóng hấp dẫn. Nếu bạn có hai ngôi sao hay sao lùn trắng hay lỗ đen bị khóa chặn quỹ đạo với nhau, thì chúng từ từ tiến lại gần hơn khi sóng hấp dẫn mang năng lượng truyền đi xa. Thật vậy, Trái đất cũng phát ra sóng hấp dẫn khi nó quay xung quanh Mặt trời, nhưng năng lượng tiêu hao là quá nhỏ để lưu tâm.
Chúng ta đã có bằng chứng gián tiếp cho sóng hấp dẫn trong 40 năm qua, nhưng Đài thiên văn Sóng hấp dẫn Giao thoa kế Laser (LIGO) chỉ mới xác nhận hiện tượng trong năm nay. Các detector đã phát hiện một xung sóng hấp dẫn được tạo ra bởi sự va chạm của hai lỗ đen ở xa hơn một tỉ năm ánh sáng.
Một hệ quả của thuyết tương đối là không gì có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Lực hấp dẫn cũng vậy: Nếu có gì đó kịch tính xảy ra với Mặt trời, thì hiệu ứng hấp dẫn sẽ đi tới chúng ta cùng lúc với ánh sáng phát ra từ sự kiện đó.
4. Việc giải thích hành trạng vi mô của lực hấp dẫn khiến các nhà vật lí lao đao
Ba lực cơ bản kia của tự nhiên được mô tả bởi các lí thuyết lượng tử ở những thang bậc vi mô nhất – đặc biệt là Mô hình Chuẩn. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa có một lí thuyết hoạt động trọn vẹn của lực hấp dẫn, mặc dù các nhà nghiên cứu đã và đang nỗ lực tìm kiếm.
Một hướng nghiên cứu được gọi là lực hấp dẫn lượng tử vòng, nó sử dụng các kĩ thuật vật lí lượng tử để mô tả cấu trúc của không-thời gian. Nó đề xuất rằng ở những cấp độ nhỏ bé nhất không-thời gian có dạng hạt, giống như vật chất được cấu tạo bởi các hạt. Vật chất sẽ bị hạn chế di chuyển từ điểm này sang điểm khác trên một cấu trúc linh hoạt, kiểu mạng lưới. Điều này cho phép lực hấp dẫn lượng tử vòng mô tả tác dụng của lực hấp dẫn một cấp độ nhỏ hơn nhiều so với hạt nhân nguyên tử.
Một hướng tiếp cận nổi tiếng hơn là lí thuyết dây, trong đó các hạt – bao gồm cả graviton – được xem là các dao động của các dây cuộn lại trong các chiều quá nhỏ để các thí nghiệm đạt tới. Hiện nay chưa có lí thuyết nào, lực hấp dẫn lượng tử hay lí thuyết dây, hay bất cứ lí thuyết nào khác, có thể cung cấp các chi tiết có thể kiểm tra về hành trạng vi mô của lực hấp dẫn.
5. Lực hấp dẫn có thể được trung chuyển bởi những hạt không khối lượng gọi là graviton
Trong Mô hình Chuẩn, các hạt tương tác với nhau thông qua các hạt mang lực. Ví dụ, photon là hạt mang lực điện từ. Hạt giả định mang lực hấp dẫn là graviton, và chúng ta đã có một số khái niệm về sự vận hành của chúng từ thuyết tương đối rộng. Giống như photon, các graviton có khả năng không có khối lượng. Nếu chúng có khối lượng, thì các thí nghiệm đã phải nhìn thấy cái gì đó – nhưng không loại trừ khả năng nó có khối lượng hết sức nhỏ.
6. Lực hấp dẫn lượng tử xuất hiện ở độ dài nhỏ nhất
Lực hấp dẫn rất yếu, nhưng hai vật càng ở gần nhau thì lực hấp dẫn càng mạnh hơn. Cuối cùng, nó đạt tới cường độ của các lực khác ở một khoảng cách hết sức nhỏ bé gọi là độ dài Planck, nhỏ hơn nhiều lần so với hạt nhân của một nguyên tử.
Đó là nơi các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử sẽ đủ mạnh để đo, nhưng nó vẫn quá nhỏ để bất kì thí nghiệm nào có thể thăm dò. Một số người đã đề xuất các lí thuyết cho lực hấp dẫn lượng tử trình hiện ở gần cấp độ mili-mét, nhưng cho đến nay chúng ta chưa nhìn thấy bất cứ hiệu ứng nào. Những người khác thì tìm các cách khéo léo để khuếch đại các hiệu ứng hấp dẫn lượng tử, sử dụng các dao động trong một thanh kim loại lớn hoặc các tập hợp nguyên tử được giữ nhiệt độ cực lạnh.
Từ cấp độ nhỏ nhất cho đến lớn nhất, lực hấp dẫn luôn thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Có lẽ sẽ có chút an ủi là nếu lần tới bạn vấp ngã bạn cũng chú ý đến lực hấp dẫn!
Nguồn: Symmetry Magazine
